路基路面工程課件 第13章 水泥混凝土路面設(shè)計.ppt

1、1,第十三章 水泥混凝土路面設(shè)計,2,本章主要內(nèi)容：,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 彈性地基板體系理論概述 第三節(jié) 水泥混凝土路面荷載應(yīng)力分析 第四節(jié) 水泥混凝土路面溫度應(yīng)力分析 第五節(jié) 水泥混凝土路面板厚設(shè)計方法 第六節(jié) 水泥混凝土路面加鋪層設(shè)計,3,13.1 概 述 一、水泥混凝土路面的力學(xué)特性 水泥混凝土路面的特點：（從力學(xué)角度） 面層彈性模量及強度高，基層和土基的相應(yīng)模量和強度低； 荷載擴散能力強，撓度小，因而外荷作用時處于彈性狀態(tài)； 抗彎拉強度和抗壓強度高，車輪荷載導(dǎo)致疲勞破壞； 砼板與基層/土基之間摩阻力一般不大，因而彈性地基板理論； 存在溫度翹曲應(yīng)力尺寸越大，翹曲應(yīng)力越大限制板尺寸； 不

2、均勻的基礎(chǔ)變形混凝土板脫空彎拉應(yīng)力過大土基與基層的變形對面板受力影響大。,4,二、水泥混凝土路面的損壞模式,水泥混凝土路面在行車荷載和環(huán)境因素的作用下可能出現(xiàn)的破壞類型主要有： 斷裂類、變形類、接縫損壞類、表層損壞等。,5,三、破壞狀態(tài) 1、斷裂：板內(nèi)應(yīng)力超過砼強度，砼路面結(jié)構(gòu)破壞的臨界狀態(tài) 產(chǎn)生原因： 2、唧泥：車輛行經(jīng)接縫時，由縫內(nèi)噴射出稀泥漿的現(xiàn)象， 原因：,6,3、錯臺：兩側(cè)（接縫或裂縫）面層板端部出現(xiàn)的高程差 產(chǎn)生原因：唧泥 4、接縫碎裂：臨近橫向和縱向接縫輸十厘米范圍內(nèi)，板邊 緣砼的開裂，斷裂或成碎塊，碎屑。 產(chǎn)生原因： 5、拱起：溫度升高，砼面板在熱膨脹受到約束時，橫縫兩側(cè)數(shù)塊板

3、塊 突然出現(xiàn)向上拱起的屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，并出現(xiàn)板塊橫向斷裂。 產(chǎn)生原因：,7,四、設(shè)計標準 彈性地基板，縱縫邊緣中部在重復(fù)荷載（車輛荷載及溫度翹曲應(yīng)力）的反復(fù)作用下，路面板的破壞應(yīng)力要比極限彎拉強度小，即產(chǎn)生疲勞破壞。,8,五.水泥砼路面設(shè)計結(jié)構(gòu)內(nèi)容 1路面結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計 2砼面板厚度設(shè)計 3砼面板的平面尺寸與接縫設(shè)計 4路肩設(shè)計和排水設(shè)計 5普通砼路面的鋼筋配筋設(shè)計,9,13.2 彈性地基板體系理論概述,一小撓度薄板的基本假設(shè)： (1)砼板厚度遠小于平面尺寸 (2)撓度遠小于厚度 (3)工作在彈性階段 “小撓度彈性薄板”理論,10,（1）垂直于中面方向形變分量極其微小，可以忽略不計。 故位移僅為

4、平面函數(shù)，也就是說，在中面的任意一根法線上，薄板全厚度范圍內(nèi)的各點都具有相同的位移。 （2）垂直于中面的法線，在彎曲變形前后均保持為直線并垂直于中面，因而無橫向剪切應(yīng)變，即,研究彈性小撓度薄板在垂直于中面的荷載的作用下的彎 曲時，通常采用下述三項基本假設(shè)：,11,（3） 中面上各點無平行于中面的位移，即 由假設(shè)（1）得： 由假設(shè)（2）得： 則： 板的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 （物理方程）,12,由假設(shè)（3），式得： 則： 則 ： 此板的幾何方程表示為： ,13,將物理方程式改寫成應(yīng)力分量表達式， 則： 由可知，各項應(yīng)力分量均為z的函數(shù)，因此在厚度方向 上截面上的力的和為零，并可分別合成單位寬 度上的彎矩，

5、扭矩和剪力，即：,14, 式中：,15,經(jīng)過整理得出應(yīng)力分量與彎矩，扭矩，剪力之間的關(guān)系： ,16,當(dāng)z=h/2時，可得到板的最大應(yīng)力關(guān)系為： ,17,二彈性曲面微分方程： 根據(jù)薄板的基本假設(shè)及內(nèi)力與荷載的平衡條件可得 分別寫出力矩的平衡方程，簡化以后得：,18,寫出z方向的受力平衡方程，簡化以后，略去微量，得： （11）代入（12）式： 將式（10）中的Mx，My，Mxy的表達式代入（13）得 薄板彈性曲面微分方程,19,w板的撓度； D彎曲剛度； h板厚； 板的彈性模量和泊松比； 當(dāng)板上作用荷載為p，反力為q時， （14）式改寫為 （15） 求解出板的撓度w后，即可由（6）式求 各應(yīng)力分量

6、； 由（7）式求 彎矩與扭矩。,20,（15）式中兩個未知數(shù)：撓度w與反力q 必須建立附加方程，將w，q聯(lián)系起來，才能與（15）式 聯(lián)立求解w。 兩種地基模型： 1. 溫克爾地基模型； 2. 彈性半空間體地基模型。,21,13.3 水泥砼路面荷載應(yīng)力分析,一Winkler地基板的荷載應(yīng)力分析： 地基反力q（x,y）與該點撓度w(x,y)的關(guān)系式： q(x,y)=kq(x,y) k地基反應(yīng)模量MPa/m3.,22,1）文克勒地基模型：Winkler地基模型/稠密液體地基 假定：土基頂面任一點的彎沉w僅同作用于該點的垂直壓力p成正比，而與其他相鄰點處的壓力無關(guān)。壓力p與彎沉w之比即稱為地基反應(yīng)模量

7、k。 由：k=p/w q(x,y)=kW(x,y),23,2）彈性半空間地基模型： 該地基被看作是均質(zhì)的半無限連續(xù)介質(zhì)。地基頂面任一點的撓度不僅同作用于該點的壓力，也同頂面其它點上的壓力有關(guān)，即：q(x,y)=f(x,y)。 這種地基模型有時也稱作彈性半無限或彈性固體地基模型，采用彈性模量和泊桑比來表征其彈性性質(zhì)。 任一點的撓度W為：,24,為了求解彈性地基板的應(yīng)力，除了彈性小撓度薄板的基本假設(shè)外，補充板與地基之間的假設(shè)： （1）變形過程中，板與地基始終緊密接觸，與地基頂面垂直； （2）板與地基接觸面上無摩擦阻力，即層間水平剪力為零。 將溫克爾地基模型中反力與位移關(guān)系q=kx，或者彈性地基板模

8、型中反力與位移關(guān)系q=fw(x,y)帶入彈性地基板微分方程，求解出砼板在荷載作用下的彎拉應(yīng)力。,25,13.4 水泥砼路面溫度應(yīng)力分析,一脹縮應(yīng)力：假定溫度均勻分布 板縱向與橫向應(yīng)變； 板縱向與橫向溫度應(yīng)力 MPa； 砼線性膨脹系數(shù)，約為1105； 板的溫差。,26,在板中部，受到約束： 則面板脹縮完全受阻時產(chǎn)生應(yīng)力為： 對于板邊緣中部或窄長板，固定區(qū)無位移發(fā)生，即： 則： ,27,為了減少收縮應(yīng)力，將砼板劃分為有限尺寸的板塊，這時板的收縮受到板與基礎(chǔ)的摩阻力的約束，板內(nèi)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在板長的中央，其值可近似按下式計算：,28,二翹曲應(yīng)力： 溫度分布為隨深度z而變化的函數(shù)，Tzf（z）， 溫度

9、分布不均勻。 威斯特卡德，對文克勒地基假設(shè)： （1）溫度沿板斷面呈直線變化 （2）板與地基始終保持接觸 （3）不計板自重,29,有限尺寸矩形板，板長（L）和板寬（B）方向翹曲應(yīng)力：,30,最大翹曲應(yīng)力：通常在板中心位置， 或板邊緣中間位置，即 板邊緣中點： 當(dāng)x0， 當(dāng)y0 或 考慮溫度的非線性分布： 板中部： 溫度應(yīng)力系數(shù) 板邊緣中點：,31,13.5 水泥砼路面（板厚）設(shè)計方法,（一）設(shè)計參數(shù) 標準軸載于換算軸載: 標準軸載BZZ-100同瀝青路面 按等效疲勞損傷原則換算:(采用疲勞斷裂為標準建立疲勞方程推導(dǎo)換算公式),32,2.設(shè)計車道使用初期的年平均日交通量： 雙向交通量方向分配系數(shù)車

10、道分配系數(shù) 1）交通量方向分配系數(shù)：一般可取0.5。 2）交通量車道分配系數(shù)：查下表,33,3交通分級設(shè)計使用年限,34,4、標準軸載累計作用次數(shù)Ne Ne標準軸載累計作用次數(shù)； t設(shè)計基準期； gr交通量年平均增長率； 臨界荷位處的車輛輪跡橫向分布系數(shù)，按下表選用。,5、確定交通等級 參見公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范JTG D40-20023.0.5,35,（二）結(jié)構(gòu)組合設(shè)計,1、路基的處理（參見公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范JTG D40-20024.1.3）p478 2、確定基層的材料與厚度p476,477 1）確定基層的材料（參見公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范JTG D40-20024.3.2）

11、表16-19 2）確定基層的厚度（參見公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范JTG D40-20024.3.5）表16-19 3）確定基層的寬度（參見公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范JTG D40-20024.3.4）,36,3、底基層（參見公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范JTG D40-20024.3.7） 4、普通水泥混凝土面層 p476(表16-1617) 1）初擬普通水泥混凝土面層的厚度（參見公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范JTG D40-20024.4.6） 2）確定普通水泥混凝土面層板的寬度及長度；（參見公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范JTG D40-20024.4.3、4.4.5、4.4.6、4.5.3）,37,（

12、三）混凝土面板,混凝土路面板應(yīng)具有較高的強度，表面平整、耐磨和抗滑；板的橫斷面一般采用等厚式。 混凝土路面板的厚度，由計算確定，初步估算時，可參考表16-17所列的經(jīng)驗厚度，其最小厚度為18cm。面層板的長寬比不得超過1.30，平面尺寸不宜大于25m2. 為了減小溫度應(yīng)力，常把混凝土面板劃分成有限尺寸的矩形板?？v橫縫應(yīng)垂直相交，縱縫兩側(cè)的橫縫不得相互錯位。 板寬（縱縫間距）：3.04.5m 板長（橫縫間距）：4m,38,（四）材料設(shè)計參數(shù)的擬定,1）土基的回彈模量（參見公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范JTJ 014-976.1.5）或直接參考水泥路面設(shè)計規(guī)范附錄F來選值。 （1）用臨界高度法判斷路基的干濕

13、類型 （2）擬定土的平均稠度（參見公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范JTJ 014-976.1.2-1） （3）預(yù)測土基回彈模量（參見公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范JTJ 014-97表E2）,39,2）基層回彈模量（參見公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范JTG D40-2002F.2） 3）面層 （1）面層的彎拉強度標準值（參見公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范JTG表D40-20023.0.6） （2）面層的彎拉彈性模量標準值（參見公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范JTG D40-2002F.3）,40,4）基層頂面的當(dāng)量回彈模量: （a） 新建公路的基層頂面模量值:,當(dāng)?shù)谆鶎优c墊層同時存在,先將這兩層折算成具有當(dāng)量回彈模量和當(dāng)量厚度的

14、單一層,然后與基層一起進行上述計算過程, 若無底基層與墊層,上述公式中對應(yīng)的厚度和模量以零值代入.,41,（b） 原有路面的頂面當(dāng)量回彈模量值 原有路面加鋪水泥砼路面,通過承載板試驗或彎沉測定法 測定原路面頂面的當(dāng)量回彈模量 ; 若用汽車實測,按瀝青路面補強設(shè)計中計算回彈彎沉 方法; 注: 新建水泥砼路面下必須設(shè)置最小厚度為0.150.20m的墊層與基層.,42,pr標準軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載疲勞應(yīng)力(MPa) kr 考慮接縫傳荷能力的應(yīng)力折減系數(shù)，縱縫為設(shè)拉桿的平縫時，kr =0.870.92(剛性和半剛性基層取低值，柔性基層取高值)；縱縫為不設(shè)拉桿的平縫或自由邊時，kr =1.0；縱縫

15、為設(shè)拉桿的企口縫時，kr=0.760.84； kf 考慮設(shè)計基準期內(nèi)荷載應(yīng)力累計疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù) kc考慮偏載和動載等因素對路面疲勞損壞影響的綜合系數(shù)，按公路等級查規(guī)范確定。,（五）荷載疲勞應(yīng)力,1. 荷載疲勞應(yīng)力計算,43,2. 荷載疲勞應(yīng)力系數(shù)Kf,求kf設(shè)計基準期內(nèi)的荷載疲勞應(yīng)力系數(shù)； Ne設(shè)計基準期內(nèi)標準軸載累計作用次數(shù) 與混合料性質(zhì)有關(guān)的指數(shù)，普通混凝土、鋼筋混凝土、連續(xù)配筋混凝土，=0.057；碾壓混凝土和貧混凝土，=0.065。,Kf=Nev,44,3. 計算ps,標準軸載在四邊自由板的臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力(MPa) r 混凝土板的相對剛度半徑(m) h混凝土板的厚度(

16、m)； Ec水泥混凝土的彎拉彈性模量(MPa)； Et基層頂面當(dāng)量回彈模量(MPa),45,（六）溫度疲勞應(yīng)力,tr臨界荷位處的溫度疲勞應(yīng)力(MPa)； tm最大溫度梯度時混凝土板的溫度翹曲應(yīng)力； kt考慮溫度應(yīng)力累計疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù)，按下式確定。 a、b、c按規(guī)范查表。,46,*最大溫度梯度時混凝土板的溫度翹曲應(yīng)力tm,c混凝土的線膨脹系數(shù)(1)，通?？扇?10-5； Tg最大溫度梯度，查表16.7取用； Bx綜合溫度翹曲應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力作用的溫度應(yīng)力系數(shù)，可按Lr和h查用圖16-14確定； L 板長，即橫縫間距(m)。,47,* 計算Bx,48,我國現(xiàn)行設(shè)計方法與步驟,1. 可靠度設(shè)計標準,49,目標可靠度: 設(shè)計路面結(jié)構(gòu)應(yīng)具有的可靠度水平。 通常采用”校準法”來確定目標可靠度，是對按原設(shè)計規(guī)范或方法設(shè)計的已有路面進行隱含可靠度的分析，參照隱含可靠度制定目標可靠度，則設(shè)計的路面結(jié)構(gòu)接納了以往的工程設(shè)計和使用經(jīng)驗，包含了原有設(shè)計相等的可接受性和經(jīng)濟合理性。,50,路面結(jié)構(gòu)可靠度:在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，路面使用性能滿預(yù)定水平要求的概率。 極限狀態(tài)設(shè)計表達式： -砼彎拉強度標準值 表達為:在規(guī)定的設(shè)計基準期內(nèi),在規(guī)定的交通和環(huán)境條件下, 行車荷載疲勞應(yīng)力和溫度梯度疲勞應(yīng)力的總和不超過 砼彎拉強度的概率,可靠度系數(shù),5